Введение к работе
Актуальность темы
Исследования акустических волн в слоистых структурах проводятся на протяжении достаточно длительного времени. Интерес к соответствующим явлениям обусловлен тем, что такие структуры широко распространены: от искусственных конструкций типа фильтров с периодической структурой до естественных сред, таких как атмосфера или океан, которые также можно описать слоисто-неоднородной моделью. Поэтому изучение свойств волн в слоистых средах, материалах и конструкциях до сих пор остаётся актуальной научной и технической проблемой. Интерес представляют как выявление вызванных слоистостью особенностей распространения упругих волн, так и использование волн для получения информации о структуре и свойствах этих сред.
Волновые процессы различной природы (например, акустические и электромагнитные) подчиняются ряду универсальных закономерностей и математически во многом описываются одинаково. Эта общность проявляется, в частности, и при распространении волн в неоднородных средах. Важным их классом являются слоистые структуры, которые характеризуются изменением параметров лишь в одном направлении. В общем случае волны могут распространяться как вдоль этого направления, так и под углом к нему. Сами слои могут быть как однородными, так и неоднородными, в том числе анизотропными. Класс соответствующих задач, относящихся к электромагнитным волнам, широк. Одним из примеров является дифракция рентгеновских лучей в кристаллах, выступающих для них естественной периодической средой. В случае оптического излучения похожих эффектов можно добиться, создавая искусственную регулярную слоистую структуру, к
примеру GaAs/AlxGai_xAs. Подобные среды применяются для пространственной и частотной фильтрации световых волн. Другим известным примером являются многослойные диэлектрические покрытия, используемые для снижения или повышения коэффициента отражения света от поверхностей линз и зеркал. Для создания в среде периодических неоднородностей можно изменять в ней коэффициент преломления путём какого-либо внешнего воздействия. Для световых волн этого можно добиться за счёт акустооптического эффекта, пропуская свет через распространяющуюся в той же среде акустическую волну. Соответствующие задачи решаются в акустооптике. Немало подобных примеров имеется и для акустических волн. Периодические структуры используются для создания фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Для возбуждения ПАВ применяются встречно-штыревые преобразователи. Задавая различные толщины электродов и расстояния между ними, можно сконструировать фильтр с требуемым откликом. Слоисто-неоднородные модели пригодны и для описания распространения акустических волн в природных средах, характеризующихся большими масштабами. Например, в задачах геологоразведки и сейсмографии интерес представляют упругие волны в слоисто-неоднородных твёрдых пластах. В медицинской акустике ультразвуковые волны используются для интроскопии внутренних органов. При этом волны пропускаются через кожный покров, который является средой с параметрами, плавно меняющимися вдоль одного направления. Отдельной важной областью применения ультразвука является неразрушающий контроль. В промышленном производстве все большее распространение получают слоистые композитные материалы. Они могут быть изготовлены из различных компонентов: металлов, полимеров, стеклотканей и т.п. Как правило, такие материалы используют в тех случаях, когда необходимо получить высокую механическую или термическую прочность вдоль определённых направлений. Подобные проблемы решаются, например, в авиации и космической технике. Для укрепления стандартных материалов всё
чаще используются тонкие слоистые покрытия. Они позволяют получить материалы с широким диапазоном механических и теплофизических свойств и значительно повысить прочность изделий при незначительном увеличении веса.
Несмотря на то, что слоистые среды встречаются в самых разных областях науки и техники, основные законы распространения волн в них, по сути, практически одинаковы. Используя эту универсальность, можно многое узнать о закономерностях распространения волн определённого вида, проводя эксперименты с волнами другой природы в аналогичных (в смысле влияния на волны) условиях. Изучение такого рода аналогов может оказаться полезным, как для практических приложений, так и для достижения понимания сложных явлений на основе излучения более простых моделей.
В большинстве из упомянутых выше задач о распространении волн в слоисто-неоднородных средах используются монохроматические или квазимонохроматические сигналы. Гораздо меньше проведено исследований с использованием импульсных возмущений. Для импульсных сигналов, частотный спектр которых широк, появляются новые особенности. Особый интерес представляют короткие видеоимпульсы, длительность которых меньше времени прохождения звука через характерный масштаб неоднородности слоистой среды. Подобные звуковые импульсы, например, могут быть возбуждены оптико-акустическим способом, путём поглощения коротких лазерных импульсов. Использование таких сигналов весьма перспективно для диагностики материалов, но многие потенциальные возможности их практического применения пока в полной мере не раскрыты и не исследованы.
Цели и задачи диссертационной работы
В соответствии с изложенным, основной целью диссертационной работы ставилось теоретическое и экспериментальное исследование особенностей распространения акустических импульсов в слоистых структурах и их
использование в диагностике материалов. Для достижения поставленной цели было намечено решение следующих практически значимых задач:
-
Экспериментальное исследование акустического аналога осцилляции Блоха при прохождении акустического импульса через многослойную квазипериодическую структуру.
-
Разработка методики измерения волнового сопротивления элементов слоистой структуры с помощью оптико-акустических сигналов.
-
Изучение возможности обнаружения расслоений в плоскослоистом композитном материале на основе анализа отражений коротких оптико-акустических сигналов.
-
Создание фокусирующего оптико-акустического источника широкополосных импульсов для измерения рельефа поверхности твердотельных образцов, помещённых в иммерсионную жидкость.
-
Использование фокусированных оптико-акустических импульсов для виброметрии твердотельных пластин, помещённых в жидкость.
-
Наблюдение фазовой структуры поля отражённых волн при падении ультразвукового пучка на границу слоев «жидкость-твёрдое тело» под углом Рэлея.
-
Экспериментальная реализация условий возбуждения под углом Рэлея «втекающей» неоднородной волны на границе твёрдого тела с клиновидным слоем жидкости.
Научная новизна работы
-
Экспериментально реализован режим распространения акустических импульсов в слоистой среде, позволяющий наблюдать акустический аналог явления осцилляции Блоха, известного в физике твёрдого тела.
-
Предложен новый метод анализа оптико-акустических сигналов, позволяющий определить волновое сопротивление элементов слоистой структуры и обнаружить расслоение в ней.
-
Создан фокусирующий оптико-акустический излучатель коротких импульсов для измерения рельефа поверхности твердотельных образцов, помещённых в жидкость.
-
Проведено экспериментальное наблюдение тонкой структуры акустического пучка, отражённого от границы «жидкость-твёрдое тело» при падении под углом Рэлея.
-
Экспериментально реализовано возбуждение новой граничной моды, соответствующей растущей поверхностной волне на границе раздела «жидкость-твёрдое тело».
Достоверность представленных в диссертационной работе результатов подтверждается проверочными численными и физическими экспериментами, а также соответствием результатов экспериментов априорной информации и теоретическим расчётам.
Научная и практическая значимость работы
-
Экспериментальная реализация акустического аналога осцилляции Блоха подтверждает универсальность этого явления для волновых процессов разной природы.
-
Разработанная методика измерения акустического волнового сопротивления элементов слоистой структуры перспективна для использования в материаловедении многослойных композитных материалов и покрытий.
-
Использование фокусированных оптико-акустических сигналов для измерения смещения отражающей поверхности позволяет исследовать вибрации твердотельных образцов в оптически непрозрачных и мутных средах, что полезно для решения задач неразрушающего контроля.
-
Применение фокусированных акустических импульсов субмикросекундной длительности с близким к гауссовскому профилем
позволяет провести профилометрию поверхности объектов с точностью по высоте до нескольких микрон, что представляет интерес в сфере неразрушающего контроля. 5. Реализованный способ возбуждения «втекающей» акустической волны демонстрирует возможность сужения волновых пучков при отражении от плоской границы раздела, что может быть полезно для создания коллимированных пучков высокой интенсивности для различных научных и практических целей.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Акустический аналог осцилляции Блоха может быть экспериментально реализован при прохождении ультразвукового импульса через плоскослоистую среду, толщины слоев которой изменяются обратно пропорционально их номеру.
-
Эхо-импульсный метод с использованием коротких монополярных оптико-акустических импульсов позволяет измерить акустические волновые сопротивления слоев кусочно-неоднородной плоскослоистой среды, в том числе при наличии в ней высокочастотного поглощения.
-
Для поиска расслоения в многослойной структуре оптико-акустическим методом целесообразно использовать не отражённый сигнал, а его временную первообразную, монотонный характер убывания которой свидетельствует о наличии абсолютно мягкой границы.
-
Разработанный фокусирующий оптико-акустический преобразователь позволяет осуществить акустическую виброметрию объектов, погружённых в жидкость, в диапазоне частот от 0.5 до 500 Гц и виброскоростей от 3 мкм/с до 8 м/с.
-
Использование специальной конфигурации акустического пучка даёт
возможность реализовать режим «втекающей» волны, позволяющий
добиться уменьшения ширины акустического пучка при его отражении от
границы раздела «жидкость-твёрдое тело» под углом Рэлея.
Апробация работы
Вошедшие в диссертацию материалы докладывались на Международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2006» (Москва), X Всероссийской школе-семинаре «Волновые явления в неоднородных средах» (2006 г., Звенигород), XIX сессии Российского акустического общества (2007 г., Нижний Новгород), Международном симпозиуме по ультразвуку IEEE IUS 2007 (Нью-Йорк, США), Международном симпозиуме по неразрушающему контролю «NDT in Progress V» (2009 г., Брно, Чехия), Международном симпозиуме по ультразвуку IEEE IUS 2009 (Рим, Италия), XXII сессии Российского акустического общества (2010 г., Москва), II Международном симпозиуме по лазерному ультразвуку LU-2010 (Бордо, Франция), XII Всероссийской школе-семинаре «Волновые явления в неоднородных средах» (2010 г., Звенигород), X Европейской конференции по неразрушающему контролю ECNDT-2010 (Москва) и Симпозиуме по неразрушающему контролю «NDT in Progress VI» (2011 г., Прага, Чехия).
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ № 08-02-00368 и 11-02 01189, МНТЦ 3691 и стипендии Американского акустического общества для аспирантов.
Публикации
Основные результаты диссертации изложены в 15-ти печатных работах. Из них 3 статьи в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК [1,3,8], и 12 статей в сборниках трудов конференций. Список публикаций приведён в конце автореферата.
Личный вклад автора
Все материалы, вошедшие в данную диссертационную работу, подготовлены либо лично автором, либо совместно с соавторами работ, опубликованных по теме диссертации.
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из общего вводного раздела, четырёх глав и Заключения. Каждая глава состоит из короткого введения и выводов. Список цитируемой литературы содержит 122 наименования, общий объём работы составляет 116 страниц текста, включая 52 рисунка.
